Конспект лекций по курсу тепловые двигатели и нагнетатели - Часть А
Темы рассматриваемые в данной части конспекта:
1. ВВЕДНИЕ. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О НАГНЕТАТЕЛЯХ. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ НАГНЕТАТЕЛЕЙ
3. РАБОЧИЕ ПАРАМЕТРЫ НАГНЕТАТЕЛЕЙ
4. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА НАГНЕТАТЕЛЯ И ТРУБОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ
5. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕРМОДИНАМИКИ К ОПИСАНИЮ ПРОЦЕССОВ В НАГНЕТАТЕЛЕ
6. ИЗОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССОВ СЖАТИЯ В ДИАГРАММАХ СОСТОЯНИЯ
7. КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ НАГНЕТАТЕЛЕЙ
8. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГНЕТАТЕЛЯ
9. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ осевого НАГНЕТАТЕЛЯ
10. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕЕ ПРИНЦИП ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЯ ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЕЙ. УРАВНЕНИЕ ЭЙЛЕРА
11. ПАРАМЕТРЫ СТУПЕНИ НАГНЕТАТЕЛЯ
12. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ЛОПАТОК НА РАБОЧИЕ ПАРАМЕТРЫ НАГНЕТАТЕЛЯ
13. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАГНЕТАТЕЛЕЙ
Введние. Краткий исторический обзор
Нагнетателями называются машины, служащие для перемещения жидкостей и газов и повышения их потенциальной и кинетической энергии.
В зависимости от вида перемещаемого рабочего тела нагнетатели разделяются на две группы:
насосы - машины, подающие жидкости;
вентиляторы и компрессоры - машины, подающие воздух и технические газы.
Машины для подъема воды на небольшие высоты силой животных - волов, верблюдов, лошадей - использовались человеком с глубокой древности, а поршневые насосы примитивных конструкций применялись в Римской империи в I в. до н. э.
В 1805 г. - Ньюкомен построил поршневой насос с паровым конденсационным приводом.
В 50-х годах XIX в. Вортингтон (США) создал поршневой паровой автоматически действующий насос.
Центробежный принцип для создания давления жидкости практически был обоснован инженером Ледемуром (Франция) в 1732 г., предложившим оригинальную конструкцию центробежного водоподъемника.
О. Рейнольдс (Англия), знаменитый исследователь режимов течения жидкостей, в конструкцию многоступенчатого насоса ввел направляющие аппараты и в 1875 г. получил патент на конструкцию насоса, аналогичную современным насосам со ступенями давления.
В России инженер А. А. Саблуков, построил в 1832 г. центробежный вентилятор.
Изобретение поршневого воздушного насоса принадлежит физику О. Герике (Германия, 1640 г.), доказавшему с помощью построенной им машины существование давления атмосферы. Во второй половине XVIII в.
Многоступенчатый поршневой компрессор с охладителями между ступенями сжатия предложен в 1849 г. Ратеном (Германия).
Инициатором производства центробежных компрессоров в России является Невский машиностроительный завод (Невский литейно-механический завод, основанный в 1857 г.), выпускающий компрессоры большой мощности для различных отраслей промышленности.
Общие сведения и основные понятия о нагнетателях основные типы и классификация нагнетателей
Нагнетатели можно классифицировать по различным признакам:
по конструкции,
способу действия,
развиваемому давлению,
роду перемещаемой среды.
Согласно ГОСТ 17398-72 насосы подразделяются на две основные , группы: насосы динамические и насосы объемные.
Динамическим нагнетателем будем называть машину, повышающую энергию жидкости или газа путем использования работы массовых сил потока в полости, постоянно соединенной с входом и выходом нагнетателя.
В объемных нагнетателях повышение энергии рабочего тела достигается силовым воздействием твердых рабочих тел.
Классификация нагнетателей производится также по конструктивным признакам, давлению, развиваемому машиной, назначению в технологическом процессе.
Классификация нагнетателей по способу действия
и конструктивным признакам.
Схема динамического центробежного нагнетателя.
|
Рабочее колесо с изогнутыми лопатками 1, в корпусе 2. Рабочее тело (жидкость, газ), входящее в центральную полость колеса через патрубок 3, заполняет весь корпус и криволинейные каналы колеса между лопатками 1. При вращении рабочего колеса под действием центробежных сил масса рабочего тела, находящегося в этих каналах, повышает энергию потока и выбрасывается потоком в спиральный канал, охватывающий, рабочее колесо. Далее поток поступает в напорный патрубок 4 и трубопровод 5. |
|
Схема динамического лопастного нагнетателя осевого типа |
||
|
Нагнетатель состоит из колеса с рабочими лопастями 1, насаженными под определенным углом на ступицу колеса с обтекателем 2, корпуса 3 и спрямляющего лопаточного аппарата 4, неподвижно закрепленного в корпусе. При вращении колеса лопатки передают энергию рабочему телу и перемещают рабочее тело, (патрубок 5 - всасывающий, патрубок 6 - напорный). |
|
Схема вихревого нагнетателя |
||
|
В корпусе 1 концентрично располагается колесо с плоскими радиальными лопатками 2. Рабочее тело поступает через всасывающий патрубок в кольцевой канал 3, увлекается лопатками 2, совершая сложное вихревое движение и повышая энергию, выходит через напорный патрубок 4 в трубопровод. |
|
Схема простейшего объемного нагнетателя-насоса |
|
|
Цилиндр 1 и клапанная коробка 2 плотно соединены в единый блок. В коробке размещены всасывающий 3 и напорный 4 клапаны. Поршень 5, двигаясь возвратно-поступательно, производит всасывание и подачу. |
Схема объемного нагнетателя роторного типа |
|
|
Массивный ротор 1 с радиальными прорезями помещен эксцентрично в корпус 2. В прорези вставлены прямоугольные стальные пластинки 3, свободно отжимаемые до упора в корпус центробежными силами. При вращении ротора двигателем рабочее тело будет всасываться через патрубок 4 и подаваться через полости переменного сечения 5 и 6 напорный патрубок 7 в трубопроводную систему. |
Схема струйного нагнетателя |
|
|
Поток рабочей жидкости выходит с высокой скоростью через суживающееся сопло 1 в камеру 2, где устанавливается низкое давление. Под влиянием разности давлений на поверхности жидкости и в камере происходит подъем жидкости по трубе 3 и смешение ее с рабочей жидкостью, выбрасываемой из сопла. Смесь жидкостей - рабочей и поднимаемой по трубе 3 - транспортируется через диффузор 4 и напорную трубу 5 на высоту Нг. |
Схема эрлифта |
|
|
В обсадную трубу 1 опущена подъемная труба 2. Воздух или технический газ поступает из компрессора К по воздухопроводу (показанному пунктирной линией) в нижний конец подъемной трубы через барботажное устройство. Здесь образуется пузырьковая смесь воздуха или газа с жидкостью. Плотность этой смеси меньше плотности чистой жидкости в обсадной трубе. По закону сообщающихся сосудов столб жидкости высотой Н1 в обсадной трубе вытесняет столб смеси в подъемной трубе на высоту Н2. При ударе об отбойный конус 3 воздух (газ) из смеси удаляется, жидкость собирается в резервуаре 4 и направляется насосами в трубопроводную систему. |
Область применения объемных и динамических нагнетателей для жидкостей (насосов) |
|
|
|
РАБОЧИЕ ПАРАМЕТРЫ НАГНЕТАТЕЛЕЙ
Количество жидкости, подаваемой насосом в единицу времени, (в соответствии с ГОСТ 17398-72) называют подачей.
Количество газа, подаваемого нагнетателем - вентилятором, компрессором, принято называть производительностью.
Системой СИ введена массовая подача т, кг/с, - масса рабочего тела, подаваемая нагнетателем в единицу времени.
для насосов и газовых машин
т = ρ V
ρ - плотность рабочего тела, кг/м3;
V - объемная подача насоса, объемная производительность газового нагнетателя, м3/с.
В компрессорах из-за значительного повышения давления плотность газа по длине проточной полости возрастает и объемная производительность V== m/ ρ уменьшается.
Объемную производительность компрессоров принято относить к физическим условиям входа в компрессор: Твх = 293 К; рвх =0,102 МПа; ρ = 1,2 Kr/M3 (для воздуха).
Давление, развиваемое насосом, Па, определяется уравнением сохранения энергии (уравнением Вернули)
где
рк и рн - соответственно давление жидкости на выходе и входе в насос, Па;
ρ - плотность жидкости, подаваемой насосом, кг/м3;
сн и ск- средние скорости потока на входе и выходе, м/с;
zн и zк - высоты расположения центров входного и выходного сечений насоса, м.
Напор развиваемый нагнетателем, определяется формулой
где р - давление нагнетателя.
Напор представляет собой высоту Н столба жидкости или газа, уравновешивающего давление р.
В уравнении (1.1) разделим все члены на ρg
Н - полный напор, развиваемый нагнетателем, исчисляемый обычно в метрах.
В нагнетателях, подающих жидкости, влияние второго и третьего членов уравнения незначительно, и можно пользоваться в этих случаях формулой
Н =(рк – рн) / ρ g
Напор вентиляторов принято выражать условно в миллиметрах водяного столба.
Давление, развиваемое вентиляторами, измеряется в паскалях (Па). Напор в 1 мм вод. ст. эквивалентен давлению 9,81 Па.
Энергетическое совершенство нагнетателей характеризуется их удельной полезной работой Lп, Дж/кг, т.е. расходом энергии на 1 кг массы подаваемой жидкости (газа)
Работа, подводимая на вал нагнетателя, L, Дж/кг, называется удельной работой.
Удельная работа компрессоров вычисляется в зависимости от вида термодинамического процесса, свойственного данному типу компрессора.
На вал работающего нагнетателя непрерывно подводится мощность от приводного двигателя. Введем понятие полезной мощности нагнетателя и мощности нагнетателя.
Полезная мощность нагнетателя Nп - работа, сообщаемая нагнетателем рабочему телу в 1 с.
для насосов и вентиляторов
для компрессоров
Мощность, подводимую на вал нагнетателя от приводного двигателя, называют мощностью нагнетателя и обозначают N, кВт.
Энергетическое совершенство насосов и вентиляторов оценивается
η = Nп/ N.
Эффективность установки в целом, состоящей из нагнетателя, промежуточной передачи и приводного двигателя, оценивается коэффициентом полезного действия установки
ηуст = Nп/ Nэл
Nэл - электрическая мощность, подводимая к двигателю.